Đồ Án liên môn (pbl3) thiết kế hệ thống Động cơ Đốt trong

Sau khi được học hai môn chính của ngành động cơ đốt trong là “Nguyên lý Động cơđốt trong” và “Thiết kế hệ thống trong động cơ ” cùng một số môn cơ sở khác như:PBL1, Cung cấp nhiên liệu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG,

KHOA CƠ KHÍ GIAO THÔNG

⸎⸎⸎⸎⸎⸎⸎

ĐỒ ÁN LIÊN MÔN (PBL3)

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

Đà Nẵng,2023

LỜI NÓI ĐẦU

Những năm gần đây, nền kinh tế Việt Nam đang phát triển mạnh Bên cạnh đó kỹthuật của nước ta cũng từng bước tiến bộ, trong đó có ngành cơ khí động lực nói chung

Để góp phần nâng cao trình độ và kỹ thuật, đội ngũ kỹ thuật của ta phải tự nghiên cứu vàchế tạo, đó là yêu cầu cấp thiết Có như vậy ngành cơ khí động lực của ta mới phát triểnđược

Sau khi được học hai môn chính của ngành động cơ đốt trong là “Nguyên lý Động cơđốt trong” và “Thiết kế hệ thống trong động cơ ” cùng một số môn cơ sở khác như:PBL1, Cung cấp nhiên liệu , Thực tập kĩ thuật 1 , sinh viên được giao nhiệm vụ làm đồ

án môn học “ PBL3- Thiết Kế Các Hệ Thống Trong Động Cơ ” Đây là một phần

quan trọng trong nội dung học tập của sinh viên, nhằm tạo điều kiện cho sinh viên tổnghợp, vận dụng các kiến thức đã học để giải quyết một vấn đề cụ thể của ngành

Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã cố gắng tìm tòi, nghiên cứu các tài liệu, làmviệc một cách nghiêm túc với mong muốn hoàn thành đồ án tốt nhất Tuy nhiên, vì bảnthân còn ít kinh nghiệm cho nên việc hoàn thành đồ án lần này không thể không cónhững thiếu sót, mong quý thầy cô góp ý giúp đỡ thêm để em hoàn thành tốt nhiệm vụ.Cuối cùng, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã tận tình truyền đạtlại những kiến thức quý báu cho em Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy NguyễnQuang Trung đã quan tâm, nhiệt tình hướng dẫn trong quá trình làm đồ án Em rất mongmuốn nhận được sự xem xét và chỉ dẫn của các thầy để em ngày càng hoàn thiện kiếnthức của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

Đà Nẵng, ngày 09 tháng 6 năm 2023

Nhóm sinh viên thực hiện

Nhóm 2

PHẦN 1: GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ THAM KHẢO

1.1 Thông số kĩ thuật

cơ M274

Khối lượng nhóm thanh

Forced Circulation Water CoolingSystem

intercooler

1.2 Hệ thống nhiên liệu

- Hệ thống nhiên liệu động cơ Mercedes-Benz M274 là hệ thống nhiên liệu có sự

điều khiển của khối điện tử ECU Hệ thống nhiên liệu kết hợp với hệ thống

đánh lửa để tạo cho hỗn hợp cháy trong động cơ được tối ưu hơn

- Hệ thống phun xăng điều khiển điện tử của động cơ M274 là hệ thống phun

xăng loại GDI

- Hệ thống phun xăng cấu tạo từ các nhóm cơ bản, mỗi nhóm có nhiệm cụ khácnhau như:

+ Hệ thống cung cấp

+ Hệ thống xả khí

+ Hệ thống điều khiển cung cấp nhiên liệu bằng sự điều chỉnh của ECU

- Hệ thống cung cấp nhiên liệu làm nhiệm cụ hút, lọc không khí và nhiên liệuvào đường nạp của động cơ, bao gồm: Hệ thống cung cấp không khí và hệthống cung cấp nhiên liệu

- Hệ thống xả khí có nhiệm vụ dẫn khí cháy thải ra ngoài, làm giảm tiếng ồn dođộng cơ gây ra và kiểm soát nồng độ oxy có trong khí xả đồng thời làm giảmmức độ ô nhiễm của khí xả gây ra bằng bộ xức tác ba chức năng

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ M274

1.3 Hệ thống bôi trơn

- Hệ thống bôi trơn là một hệ thống làm nhiệm vụ dẫn dầu đến các bộ phận, chi tiết

của động cơ Từ đó làm mát, giảm ma sát và lọc sạch những tạp chất bị lẫn trong dầu Từ đó đảm bảo tính năng lý hóa của các chi tiết máy móc Bất cứ động cơ chạy bằng dầu, xăng nào cũng cần phải trang bị hệ thống này

- Trong các động cơ đốt trong hiện nay, gần như tất cả đều dùng phương án bôi

trơn cưỡng bức, dầu nhờn trong hệ thống bôi trơn từ nơi chứa dầu, được bơm dầu đẩy đến các bề mặt ma sát dưới một áp suất nhất định cần thiết, gần như đảm bảo tốt tất cả các yêu cầu về bôi trơn, làm mát và tẩy rửa các bề mặt ma sát ổ trục của

hệ thống bôi trơn

- Hệ thống bôi trơn động cơ M274 là hệ thống bôi trơn cưỡng bức.

- Hệ thống bôi trơn gồm có: bơm dầu, bầu lọc dầu, cácte dầu, các đường ống dầu

sẽ từ cácte được hút bằng bơm dầu, qua lọc dầu, vào các đường dầu dọc thân máyvào trục khuỷu, lên trục cam, từ trục khuỷu vào các bạc biên, từ trục cam vào các bạc trục cam, rồi theo các đường dẫn dầu về két làm mát rồi về các te

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống bôi trơn động cơ M274

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống làm mát động cơ M274

1.5 Hệ thống nạp thải

Hệ thống nạp thải có nhiệm vụ đưa hỗn hợp không khí- nhiên liệu vào buồng cháy để thực hiện quá trình cháy của động cơ, đồng thời đưa sản phẩm cháy từ buồng cháy thoát ra ngoài Hệ thống nạp thải phải đảm bảo cung cấp đủ lượng hỗn hợp có thành phần hoà khí thích hợp với mọi chế độ hoạt động của động cơ, thải sạch sản phẩm cháy ra ngoài trong quá trình thải, sao cho hiệu suất động cơ

là lớn nhất và giảm ô nhiễm môi trường, giảm tiếng ồn

nó Hệ thống điện và điện tử can thiệp vào gần như tất cả các hệ thống trên một chiếc xe, từ hệ thống đơn giản có từ lâu đời như khởi động, cung cấp điện, đánh lửa đến những hệ thống mới được nghiên cứu ứng dụng như phanh, lái, treo Trong tương lai, chiếc xe được ví như một robot

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống điện động cơ M274

PHẦN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHIÊN LIỆU

2.1 Nhiệm vụ, yêu cầu của hệ thống nhiên liệu

- Thiết bị đảm bảo kín, tránh rò rỉ, bay hơi

- Dễ dàng điều chỉnh, bảo dưỡng

- Cung cấp nhiên liệu vào buồn cháy đúng thời điểm

- Đồng đều lượng nhiên liệu giữa các xylanh

- Lượng nhiên liệu đủ về lượng theo chế độ làm việc

2.2 Phân tích lựa chọn sơ đồ hệ thống

- GDI là phun xăng trực tiếp vào buồng cháy vì vậy áp suất phun phải đạt khoảng

hệ thống phun xăng trên đường ống nạp Vì GDI phun trực tiếp nên phải đạt áp suất cao thì nó mới phun vào động cơ được đặc biệt là phun vào cuối quá trình nén, còn nếu áp suất thấp thì nó không thắng được áp suất khí nạp nên rất khó phun nhiên liệu vào động cơ hoặc phun không đồng đều

- Với áp suất phun cao như vậy thì áp suất của bơm cung cấp cho hệ thống phải đạt

tương ứng, như vậy thì với hệ thống phun nhiên liệu GDI phải có thêm bơm cao

áp đặt trên trục cam

- Như vậy chúng ta sử dụng hệ thống nhiên liệu MED-Motronic Trong hệ thống

bộ điều áp để điều chỉnh áp suất phun nhiên liệu mong muốn

Hình 1.2: Sơ đồ mạch cung cấp nhiên liệu

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động cơ

1 Thùng xăng 6 Cảm biến lưu lượng khí nạp 11 Bàn đạp ga

2 Bơm tiếp vận 7 Hộp cácbon 12 Cảm biến oxy

3 ECU 8 Kim phun 13 Cảm biến nhiệt độ nước

4 Bộ điều khiển bướm ga 9 Bơm cao áp 14 Bộ xúc tác NOX

5 Đường ống nạp 10 Cuộn đánh lửa 15 Cảm biến tốc độ động cơ

kì nén Để đưa được nhiên liệu vào buồn đốt động cơ trong kì nén, hệ thống nhiên liệu phải đáp ứng được yêu cầu áp suất phun nhiên liệu của kim phun

phải lớn hơn áp suất trong buồng đốt ở kì nén, đồng thời để nhiên liệu được phun tơi hòa trộn tốt với không khí trong buồng đốt

- Nguyên lý hoạt động:

Nhiên liệu được bơm xăng chuyển từ thùng xăng lên đường ống đến bơm cao

áp Từ bơm cao áp nhiên liệu được đưa đến dàn phân phối nhiên liệu ở ấp suất cao Từ dàn phân phối thì phân phối đến kim phun qua ống phân phối Kim phun sẽ phun trục tiếp vào buồng đốt

2.3 Tính toán thông số làm việc của hệ thống

Tính toán chế độ cung cấp nhiên liệu của động cơ

lượng khí nạp hoặc cảm biến áp suất đường ống nạp Quá trình điều khiển lượng nhiên liệu cung cấp Gnl thực chất là điều khiển thời gian phun nhiên liệu tf , bởi vì:

G’nl = Qnl.nl.tf (kg/ct)

Với:

Qnl: Lưu lượng xăng qua vòi phun (m3 /s)

nl: Khối lượng riêng của xăng (kg/m3 );

tf: Thời gian phun (s)

Qnl Ff vnl (m3 /s)

Với:

Ff : Tiết diện lưu thông của vòi phun (m2 ) Chọn Ff = 0,4 (m2)

vnl: Tốc độ xăng qua vòi phun (m/s)

Cần lưu ý rằng tốc độ xăng qua vời phun phụ thuộc vào chênh lệch áp suất xăng trước lỗ phun và áp suất không khí trên đường nạp

vnl=√ 2 ΔP

ρ nl = √2.500000

750 = 36.514 (m/s) Với:

Theo tài liệu (*), chọn ∆P = 5bar =500000 (N/m2)

nl = 750 (kg/m3)

Để đảm bảo tốc độ phun không đổi, trong hệ thống phun xăng có trang bị bộ ổn định

áp suất( ∆P = const, ở kiểu phun trên đường ống nạp ∆P ≈ 3-5bar ), khi đó viẹc xác định lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ chỉ phụ thuộc vào thời gian mở của kim phun Vậy: Qnl=36,5 0,4= 14,60 (m3/s)

Như vậy để tính được lượng nhiên liệu cung cấp cho động cơ ta phải xác định hau biến số G’k và tf

1, Xác định lưu lượng không khí

Một yếu tố quan trọng trong điều khiển phun xăng là xác định được khối lượng không khí đi vào xilanh Lượng xăng tương ứng sẽ được tính toán để đảm bảo tỷ lệ hòa khí mông muốn Trên thực tế, chúng ta không thể đo chính xác khối lượng không khí đi vào từng xilanh Vì vậy, khi điều khiển động cơ phun xăng người ta thường dựa trên lưu lượng khối lượng không khí đi qua đường ống nạp

Lượng không khí nạp ta có thể đo trực tiếp ( loại L-EFI), hoặc xác định gian tiếp thông qua áp suất tuyệt đối không khí trên đường ống nạp ( loại D-EFI)

Lượng không khí cũng có thể được tính toán trước và nạp vào EEPROM theo

chương trình đã lập trước

Tỷ lệ hòa khí lựa chọn 0: tùy theo kiểu động cơ, chẳng hạn tỷ lệ lý tưởng 0 Một

Tỷ lệ hòa khí thực tế : phụ thuộc vào các thông số như nhiệt độ động cơ trong quá trình hâm nóng hoặc hiệu chỉnh để tăng đặc tính động học( tăng tốc, giảm tốc, tải lớn, không tải)

không khí được xác định bởi:

k mk/Vk (kg/m3 )

của không khí:

Gk’= Qk’.k

Trong trường hợ dùng cảm biến áp suất tuyệt đối trên đường ống nạp kết hợp với

ko.

pk To

po.Tk

Trong đó: o tỷ trọng của không khí ở điều kiện áp suất khí quyển ở mực nước biển

po = 1atm và nhiệt độ môi trường To = 293o K

Theo phương trình trạng thái khí lý tưởng, ta sẽ xác định được o như sau:

G’k = 120.Gk/(i.n) (kg/ct)

Gk: xác định nhờ cảm biến và tính theo kg/s

Về lý thuyết G’k cũng có thể được tính như sau:

2, Tính toán thời gian phun

Ở một chế độ làm việc ổn định, lượng nhiên liệu cung cấp cho một chu trình (Gnl’)

sẽ tỉ lệ với lượng khí nạp vào động cơ Do đó lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi xilanhtrong một chu trình sẽ là:

G’nl=G’k/(Lo.) (kg/s) Trong đó:

L0: lượng không khí lý thuyết để đốt 1kg nhiên liệu (kg kk/kg nl)

3, Tính toán bơm chuyển.

Bơm nhiên liệu được dùng trong hệ thống của động cơ là loại bơm cánh gạt, chọn

áp suất bơm 5 bar Ngoài ra bơm còn có các thông số làm việc khác chúng ta cần tínhtoán như cột áp, công suất, hiệu suất,…

Cột áp của bơm (H) xác định bằng công thức sau:

Gb = G’nl (2,5  3)

 Gb = 0,0068 3 = 0,0205 (kg/s)

Lưu lượng của bơm:

- Kiểu bơm điện tử

- Công suất điện 12v

4, Tính toán bơm cao áp

Lượng nhiên liệu của bơm cao áp cần cung cấp trong 1 giây:

Q = G b

nl = 0,0170730 = 2,328.10-5 ( m3/s) = 83,835 (l/h)

Công suất của bơm:

2.4 Phân tích kết cấu các cụm chi tiết trong hệ thống

2.4.1 Bơm nhiên liệu

- Bơm nhiên liệu là một bộ phận quan trọng có nhiệm vụ tạo áp suất đẩy xăng đến

hệ thống đến hệ thống nhiên liệu của động cơ Đây là công việc rất quan trọng và vị trí đặt bơm nhiên liệu khó tiếp cận nên bơm được chế tạo rất bền bỉ

- Bơm nhiên liệu có thể gặp vấn đề như làm việc quá tải hoặc bị bám bẩn

- Không nên để nhiên liệu cạn quá mức, bởi khi đó nhiên liệu sẽ không được bôi trơn và làm mát

- Bơm nhiên liệu thường gặp những hư hỏng như tiếp xúc kém hay dây điện bị đứt

- Nếu áp suất nhiên liệu ở mức quá thấp dẫn đến tình trạng động cơ bị chết máy hoặc bị rung lắc

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bơm nhiên liệu là loại bơm cánh gạt được đặt trong thùng xăng, do đó loại bơm này

ít sinh ra tiếng ồn và rung động hơn so với loại trên đường ống Các chi tiết chính của bơm gồm: Mô tơ, hệ thống bơm nhiên liệu, van một chiều, van an toàn và bộ lọc gắn liền thành một khối

Hình 1.4 Kết cấu bơm nhiên liệu

1 Đường nhiên liệu vào 2 Đường nhiên liệu ra 3 Lưới lọc 4 Đầu nối đườngnhiên liệu vào 5 Bulong cố định bơm 6 Van một chiều 7 Đầu nối đườngnhiên liệu ra 8 Trục bơm 9 Van an toàn 10 Đầu tiếp xúc 11 Chổi than

12 Roto 13 Stato 14 Bạc 15 Cánh bơm 16 Vỏ bơm

Khi roto quay, dẫn động cánh bơm quay theo, lúc đó cánh bơm sẽ gạt nhiên liệu từ cửa vào đến cửa ra của bơm, do đó tạo được độ chân không tại cửa vào nên hút được nhiên liệu vào và tạo áp suất tại cửa ra để đẩy nhiên liệu đi

Van một chiềucos tác dụng khi động cơ ngường hoạt động Van một chiều kết hợp với bộ ổn định áp suất duy trì áp suất dư trong đường ống nhiên liệu khi động cơ ngừng chạy, do vậy động cơ có thể dễ dàng khởi đông lại Nếu không có áp suất dư thì nhiên liệu có thể dễ dàng bị hóa hơi tại nhiệt độ cơ gây khó khăn khi khởi động lại động cơ

2.4.2 Lọc nhiên liệu

- Bộ lọc nhiên liệu dùng để lọc chất bẩn và các tạp chất ra khỏi nhiên liệu đi cung cấp cho động cơ hoạt động Bởi những tạp chất đó là nguyên nhân gây ra những hư hỏng, làm hệ thống động cơ bị tắc nghẽn và chạy không ổn định Lâu dần có thể làm giảm tuổi thọ của các chi tiết và phải thay mới tốn kém rất nhiều chi phí

- Trên động cơ đang khảo sát lọc nhiên liệu được dùng là kiểu lọc thấm, phần tử lọcbằng giấy Ưu điểm của loại lọc thấm kiểu dùng giấy là giá rẻ, lọc sạch

- Tuy nhiên loại lọc này cũng có nhược điểm là tuổi thọ thấp chu kỳ thay thế trung bình khoảng 4500km

Hình 1.5 Kết cấu lọc nhiên liệu

1 Thân lọc nhiên liệu 2 Lõi lọc 3 Tấm lọc 4 Cửa xăng ra

5 Tấm đỡ 6 Cửa xăng vào

- Xăng từ bơm nhiên liệu vào cửa (6) của bộ lọc, sau đó xăng đi qua phần tử lọc

thước lớn hơn 10 m được giữ lại đây Sau đó xăng đi qua tấm lọc (3) các tạp chất nhỏ

cấp cho quá trình nạp của động cơ

2.4.3 Dàn phân phối xăng

- Có nhiệm vụ phân phối đồng đều nhiên liệu cho tất cả các vòi phun với áp xuất

cao như nhau Ngoài ra còn có chức năng như một bộ tích trữ nhiên liệu và dung tích nàu lớn hơn rất nhiều so với dung tích mỗi lần phun

- Do đó sẽ hạn chế được sự thay đổi áp suất trong mạch nhiên liệu sau mỗi lần phun

2.4.4 Bơm cao áp

- Nhiệm vụ của bộ điều áp là duy trì và ổn định độ chênh áp trong đường ống.

- Khi bơm cao áp làm việc các chi tiết trong bơm được nhiên liệu bôi trơn nên nhiên liệu phải thật sạch

- Bơm cao áp được đặt trên đỉnh của xilanh Áp suất phân phối tối đa của bơm cao

áp là 200 bar

- Bơm cao áp được dẫn động cơ học nhờ trục cam nạp thông qua một bộ phận dẫn động Khi piston bơm chyển động lên trên, thể tích nhiên liệu trong xylanh được điều áp.Khi đạt áp suất hệ thống, van xả mở ra vè nhiên liệu được đưa đến ray qua đường cao

áp Van giới hạn áp suất bảo vệ máy bơm cao áp khỏi sự tích tụ áp suất quá mức

Hình 1.6 Kết cấu bơm cao áp

4 Kim van thấp 5 Van điều khiển số lượng 6 Piston bơm cao áp

2.4.5 Vòi phun

Hình 1.7 Kết cấu vòi phun

1 Thân vòi phun 2 Giắc cắm 3 Đầu vào 4 Gioăng chữ O

5 Cuộn dây 6 Lò xo 7 Lõi từ 8 Kim phun

- Bộ lọc bảo đẩm nhiên liệu đi vào kim phun phải thật sạch Giắc cắm nối với mạchđiều khiển, cuộn dây tạo ra từ trường khi có dòng điện, ti kim tác động đến sự

đóng mở của van kim, van kim đóng kín vòi phun.

- Vòi phun là van ép thủy lực dẫn động bằng nam châm điện tác dụng nhanh để phun tơi nhiên liệu Khi áp suất tương đối của nhiên liệu trong đường ống đạt khoảng 300 Kpa và điện áp cung cấp cho vòi phun không đổi thì thể tích nhiên liệu được phun tỷ lệ thuận với độ kéo dài thời gian của xung điện điều khiển mở vòi phun từ ECM động cơ

- Vòi phin được lắp phía bên trên phải của động cơ Trong đó chuyên dùng là lỗ của bộ đảo chiều và được tỳ chặt lên trên ống phân phối nhiên liệu thông qua gioăng là kín

 Nguyên lý làm việc:

Khi chưa có điện vào cuộn dây kích từ, lò xo ép kim bịt kín lỗ phun Khi có điện vào, cuộn kích từ sinh lực hút lõi từ kéo kim phun lên khoảng 0.1mm và xăng được phun ra

 Yêu cầu của kim phun:

đốt Kim phun là một nhân tố cấu thành buồn đốt của động cơ

cung cấp cho buồng đốt

chính xác và vùng hỗn hợp đậm dễ cháy xung quanh bugi tại thời điểm đánh lửa

buồng đốt

2.5 Các cảm biến dử dụng trong cơ cấu điều khiển

2.5.1 Cảm biến vị trí trục khuỷu

2.5.1.1 Chức năng và nhiện vụ

Cảm biến loại này có công dụng báo cho ECU của xe biết chính xác vị trí

của cốt máy ở những vị trí tương ứng với cuối kì nổ để ECU điều chỉnh các thời điểm phun nhiên liệu và đánh lửa thích hợp cho các xylanh của động cơ

Cảm biến vị trí trục khuỷu là một trong những cảm biến quan trọng góp phần trong việc vận hành động cơ Nếu thiếu cảm biến này, động cơ có thể không khởi động được, tốc độ cầm chừng không đều Máy rung vì đánh lửa sai, hao xăng và tăng tốc không ổn định

2.5.1.2 Cấu tạo

Bộ phận chính của cảm biến là một cuộn cảm ứng, một nam châm vĩnh

cửu và một rotor dùng để khép mạch từ có số răng tùy loại động cơ